卡尔·萨根谈论火星上的生活

在 1972 年 9 月刊上， 《大众科学》杂志采访了卡尔·萨根，谈论我们的火星邻居。在此之前的几个月里，美国宇航局的太空探测器水手 9 号已经发回了数千张火星表面的照片，这些照片引发的问题比解答的问题还多。这位提醒我们人类都是由星尘组成的人，以他标志性的教育性和令人敬畏的方式剖析了火星的一些奥秘。祝卡尔·萨根日快乐！

原始问答全文重新发布如下。

红色星球面貌的变化：特写照片揭示了动荡的火星

作者：Arthur Fisher

火星是什么样的？直到最近，根据水手 4、6 和 7 号看到的荒凉、被侵蚀和遍布陨石坑的景象，最好的答案是火星是一颗死行星，一个化石世界，其地质活动发生在遥远的过去，没有水，无法维持生命，比任何其他东西都更类似于我们的月球。

现在，水手 9 号改变了这一切。从 11 月中旬到 4 月初，它拍摄了近 7000 张壮观的照片，自 6 月份以来又拍摄了数百张，这些照片让科学家们看到了一个截然不同的星球，一个充满超级风暴和旋转沙尘暴的动荡世界，高耸的火山，巨大的裂缝，包括一个比大峡谷更长、更宽、更深的峡谷，混乱的地貌表明，在最近的地质历史中发生了大规模的剧变。最令人惊讶的是：不仅有许多地貌似乎是由奔流的水冲刷和塑造的，而且有证据表明，极地冰盖至少有一部分是由冰冻的水组成的。因此，火星上是否存在依赖水的生命的问题再次浮出水面。

为了解释这一重大转变， PS寻找了一位独一无二的科学家。卡尔·萨根博士是康奈尔大学射电物理和空间研究中心行星研究实验室主任和天文学教授。他目前在加州理工学院休假，领导水手 9 号电视实验团队的可变特征工作组。除了担任 NASA 的许多顾问团成员外，他还担任：《ICARUS》（太阳系研究国际期刊）的编辑；国际天文学联合会行星委员会官员；国际空间组织 COSPAR 月球和行星工作组副主席。以下采访于今年春天在华盛顿特区进行。

费舍尔：萨根博士，在喷气推进实验室检索照片时有没有什么特别戏剧性的时刻？

萨根：这些照片都很引人注目。我的意思是，每天你到达火星都会看到 72 张新照片。其中至少有几张照片会展示出你从未见过、从未想到过火星上存在的现象。这是一个科学界兴奋的时代。这个时代还没有结束。

费舍尔：水手 9 号照片中的哪一个结果对您个人而言最有意义？

萨根：嗯，我认为，大量证据表明风吹尘埃导致火星发生了剧烈变化；大量证据表明大规模火山活动；有证据表明在火星历史上不久的时间内曾有过流水；极地冰盖消退的细节表明，南极冰盖的残余部分在南半球的夏季不会消失；还有首次近距离拍摄的火星两颗卫星——火卫一和火卫二的照片。我想说，这些就是我心目中的亮点。

改变标记

费舍尔：那么可变特征呢？

萨根：自从人类开始用望远镜观察火星以来，火星上就出现了明暗斑纹。19 世纪中叶，人们观察到这些斑纹有时似乎会随季节变化。大约在 1870 年，一种流行的理论认为，火星明暗斑纹的明显季节性变化是由于春季和夏季植被使地表变暗，当时极地冰盖（被认为是冰冻的水）随着气候变暖而部分融化。人们脑海中浮现的模型可能是藻华，或者是加拿大和西伯利亚北极苔原的春季开花。现在，自这个 19 世纪模型以来，这些变化是否真的是季节性的一直受到质疑。但是，正如我们将看到的，水手 9 号确实证实了火星表面的广泛变化。

费舍尔：那么所谓的运河又是怎么回事呢？

萨根：它们是 1877 年被乔瓦尼·斯基亚帕雷利发现的，他惊讶地发现火星表面覆盖着一张由细直线组成的网络。一位名叫珀西瓦尔·洛厄尔的美国外交官出身的天文学家对斯基亚帕雷利的发现感到非常兴奋，并在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建立了一座天文台，继续进行此类观测。斯基亚帕雷利将他所看到的景象形容为canali ，意大利语，意思是水道或凹槽。但洛厄尔和其他人将这个词误译为“运河”，而这个词显然是经过设计的。洛厄尔认为，火星上确实存在一个运河网络，它将液态水从融化的极地冰盖输送到火星赤道城市口渴的居民手中。

有很多书都是根据这种推测写的。在英语中，埃德加·赖斯·巴勒斯 (Edgar Rice Burroughs) 写了十多部小说，故事以一位来自弗吉尼亚州的绅士冒险家约翰·卡特 (John Carter) 为原型，他站在一片空旷的田野上，对着火星许愿，最终到达了火星。当他到达火星时，他发现火星上居住着各种各样的生物，包括一些非常像人类的生物。在德国，一位名叫库尔特·拉斯维茨 (Kurt Lasswitz) 的作家写了一部类似的浪漫小说《在两个星球上》，这部小说帮助一位名叫沃纳·冯·布劳恩 (Wernher von Braun) 的年轻人对太空飞行产生了浓厚的兴趣。因此，洛厄尔对火星所见景象的解释发挥了重要作用，这并不是因为它是正确的——它几乎肯定是完全错误的——而是因为它具有戏剧性，激发了许多男孩和年轻人对火星的研究，他们以某种方式参与了对火星的最新研究。

费舍尔：您是否也受到过类似的刺激？

萨根：是的，当我读到埃德加·赖斯·巴勒斯的《约翰·卡特》系列故事时，我也有类似的好奇心。好吧，关于运河的真实故事似乎是，那里没有“像精细钢蚀刻画上的线条”那样的线条，正如珀西瓦尔·洛厄尔所描述的那样。运河似乎是一种心理生理问题，而不是天文学问题。当“视力”或大气湍流非常糟糕时，眼睛往往会串起不连贯的精细细节，因为记住一条直线比记住一片片不连贯的斑点矩阵更容易。过去 50 年里，最好的视觉观察者的观察结果是，他们在视力不好的时候可以看到运河。但是随着视力提高到有史以来最好的水平，他们无法将直线分解成不连贯的精细细节。因此，在水手号对火星进行近距离摄影之前，大多数研究火星的天文学家都认为火星上实际上并不存在直线网络——横穿火星的异常笔直的线，沿着大圆路线延伸数千公里等等。事实上，水手号 4、6 和 7 号几乎没有发现任何类似这种运河的踪迹。现在，水手号 9 号首次全面覆盖了火星表面，除了最北极的一个小帽子外，火星上的所有物体都以一公里的分辨率拍摄下来。

“人们说火星的环境太恶劣，不适合生命生存……这是一个非常狭隘的结论。”

事实证明，在不同情况下，火星上确实存在或多或少的直线。但它们根本不像珀西瓦尔·洛厄尔想象的那样；它们就像斯基亚帕雷利想象的那样，即水道和凹槽，尽管不一定在他画的位置。火星不仅有水道和凹槽，还有一个巨大的裂谷系统，就像东非裂谷系统一样，它与地球上的大陆漂移有关。火星上这种裂谷的地质意义极其重大。

费舍尔：这是否意味着这些巨大的山谷是最近地质构造活动的证据？

萨根：是的。裂谷往往环绕火星上一个极高的区域，呈放射状延伸，该区域被称为塔尔西斯，其中有火山口；这些非常高的山峰顶部有洞，是由内部连续喷出的熔岩形成的。其中最大的火山口比夏威夷岛还要大，而夏威夷岛是地球上最大的裂谷。从照片中我们可以看出，从地质时间尺度来看，这些火山口形成的时间非常近，因为它们没有受到陨石坑的撞击，也没有受到其他形式的侵蚀。

费舍尔：以数十亿年为单位来看最近时期？

萨根：是的。它们到底有 1000 万年还是 100 万年的历史，我们还不知道。这与其他证据一起表明，火星并不是一颗古老、死寂的行星，而是在近代地质上活跃的行星，就像地球一样，在地质上很年轻。但让我们回到可变特征上来。

最初有两艘航天器计划发射到火星：水手 8 号和水手 9 号，每艘航天器都有自己的任务。水手 8 号失败并降落在加勒比海，甚至没有发回海洋数据！由于我们只有一艘飞船，即水手 9 号，因此我们没有针对可变特征进行优化的任务。尽管如此，我们比预期的更容易找到它们。事实上，水手 9 号取得了巨大的成功。

寻找变化物体时的一个问题是，你可能会在相隔两周的时间里观察同一个物体，但光照条件不同，如果你忘记了这一点，你可能会认为发生了真正的变化，而实际上，变化只是太阳或观察角度不同。航天器的轨道已经安排好了，我们可以在一天的周期和 19 天的周期观察同一区域，在这两种情况下，光照角度都非常接近恒定。因此，如果我们在相隔一天或 19 天的时间里看到任何显著的变化，那么我们可以相当有信心，这是一个真正的变化，而不是光照条件的结果。

我们确实发现了这样的可变特征；它们分为几类。其中一类是所谓的斑点。这些是上次我们观察时没有但现在出现的深色标记。当它们比陨石坑小的时候，它们倾向于出现在陨石坑内部。当它们比陨石坑大的时候，它们往往会冲刷陨石坑。

我们有一些相当惊人的案例，我们观察一个特定区域，看到一系列明亮和黑暗的特征，大约两周后我们回来观察，发现所有旧特征都出现了，还有一个以前没有的新暗特征。然后我们继续在每一次连续的机会中观察该区域，只出现微小的变​​化。这种时间尺度绝对是典型的。在几天到两三周的时间尺度上，火星的特征往往会发生变化。我们看到的典型变化是以前不存在的暗特征的出现。

目前火星上的条件肯定还不算太恶劣，不适合生命生存。我们只能保持开放的心态，等待更多数据。

费舍尔：我们谈论的物体的直径是否至少为一公里，比如说洋基体育场那么大？

萨根：是的。事实上，我说的是突然出现的直径 10 或 15 公里的地貌。例如，有一个地貌被称为矛头，因为它看起来就是这样。在一张照片中它不存在，而在下一张照片中它存在，在随后的所有照片中它都一直在那里。

费舍尔：是什么导致了这样的表现呢？

萨根：我提到过一种可能，这种可能已经存在一个多世纪了：即我们看到了暗色植被生长到以前没有这种植被的地区。还有另一种可能，我和我的同事在过去五年中一直主张这种可能——我们看到的是风吹尘埃的表现。我们认为，像矛头这样的特征的出现是由于水平风将细小的明亮尘埃从表面吹走，露出了下面的暗色物质。而所谓的季节性变化是由于季节性风模式，风吹来的明亮物质覆盖并揭示了下面的暗色物质。从火星上至少在某些时候存在行星范围的风暴可以看出，尘埃很容易被吹到相当远的距离

费舍尔：这种机制是否不仅能解释您所描述的斑点随机出现和消失的现象，还能解释所谓的渐进式变暗现象？

萨根：好的。现在让我来谈谈暗化波。之所以这样称呼它，是因为一些观察者认为这种季节性变化以每天约 35 公里的速度从极地冰盖向赤道移动，并穿过赤道。几年前，我们进行了一项统计研究，结果表明，这几乎不是一个恒定的波；它并不是像钟表一样精确地运行。有时赤道地区变暗的时间比极地地区要早得多。所以我认为这个说法可能用词不当。在某种程度上，火星每年都会发生同样的暗化。我认为这是由于重复出现相同的风模式——当然，这与季节有关——覆盖和暴露暗物质。

陨石坑尾

费舍尔：去年 11 月，您在喷气推进实验室分析了火星上引发沙尘暴所需的风速。您能详细谈谈吗？

萨根：当然。在那之前，让我先说说火星上另一种可变特征——彗尾。最常见的彗尾是从陨石坑中发出的。有一个陨石坑，从中发出的彗尾长度约为陨石坑直径的 10 倍或 20 倍，是一条长长的、明亮或黑暗的彗尾。如果附近还有其他陨石坑，它们的彗尾通常与第一个陨石坑平行。有些情况下，我们会看到 30、40 或 50 条彗尾，它们都是平行的，都是从陨石坑中发出的，而且都朝着同一个方向。我们认为，至少部分或大部分明亮条纹代表陨石坑中被风吹散的明亮物质——这是该星球上存在大量风吹尘埃的另一个证据。

情况比我说的要复杂得多，因为还有黑色的尾巴从陨石坑中出来。那么，我们是否可以想象两种物质，明尘和暗尘，暗尘沉淀在某些地方，亮尘则沉淀在其他地方？或者，暗尾巴根本不是尾巴，而是风影？假设一大团明亮的尘埃飘来，落在除障碍物顺风处以外的所有地方。然后，从水手 9 号上看，我们会看到陨石坑壁顺风处有一条黑色条纹，这并不是因为黑色物质被吹出了陨石坑，而是因为陨石坑壁阻止了明亮物质沉积在我们看到尾巴的地方。在一些地方，我们会看到后面的条纹——不是陨石坑，而是小山丘，表明火星上确实存在风影的情况。我们认为有相当多的证据表明，风吹来的尘埃是火星环境的一个非常重要的方面。我们于 11 月 13 日到达火星，看到整个星球被尘埃遮蔽；尘埃落定后，我们就能看到表面特征发生变化，陨石坑出现条纹——这很可能是由于风吹来的尘埃造成的。

那么，在火星上移动灰尘需要什么呢？火星大气极其稀薄，比地球的稀薄得多。这意味着你必须以更快的速度移动空气才能让物体向前移动。事实证明，在火星上移动与在地球上移动相同大小的沙粒需要风速快 10 倍。如果你相信火星上有任何灰尘被移动，那么你必须立即假设风……

超级大风

费舍尔： 你的意思是，只是把它从表面摘下来？

萨根：只是让它滚动。有一点尘埃颗粒以很小的角度略微向上突出在火星表面上方；风吹来，让它落下来。风速要多快？根据目前的理论，需要每秒约 80 米的风速才能让火星上的尘埃颗粒开始移动。这大约是每小时 180 英里。这是非常快的风速。

费舍尔：火星上怎么会出现这样的风？

萨根：在地球上，风主要是由赤道比极地热这一事实所驱动的。空气从炎热的赤道上升，在寒冷的极地下降，从而形成一个环流，空气沿着地面从极地返回赤道，再从赤道到极地在高空循环。在火星上，赤道和极地之间的温差甚至比地球上的还要大。火星上没有海洋来调节温度。火星的一年也更长——687 天。因此，温差更大，由此产生的风也更大。但据我们所知，这些风还不够大。这不是激起沙尘暴的高速风的来源。

费舍尔：我记得您之前说过，它们会产生每秒约 40 米的风速。

萨根：是的。计算似乎就是这样的。所以，如果风向正确，然后另一股风与之平行，那么两股风可以叠加，达到每秒 80 米或更高。但我们认为还有另外两种风对火星很重要，可能更直接地造成风吹尘埃。其中一种是尘卷风。它们在美国西南部很常见——只有几米宽的旋风会卷起尘埃。然后，那一股循环的尘埃柱会缓慢地穿过沙漠。火星上的条件比美国西南部更有利于尘卷风的形成，我们在火星上看到的沙尘暴的产生可能是由一组这样的尘卷风产生的，尽管火星上没有拍到任何尘卷风的照片。

另一种明显能够产生沙尘暴的风源是我们所说的斜坡风。这种情况发生在海拔差异与火星大气特征厚度相当的情况下——火星大气的标高约为 9 公里。火星的海拔差异为 9 公里，实际上是 9 公里的两倍。这种情况与地球的情况非常不同，地球上的海拔差异与大气标高相比往往相当温和。因此，我们计算出火星上有一种全新的风，沿着这些高海拔斜坡流动。由于火星的海拔差异相当显著，风速会非常高。事实上，每秒 80 或 100 米，仅凭风速就高达每秒 80 或 100 米。

生命的机会

费舍尔：通过这个分析，我们可以得到火星大气状况的什么图像？

萨根：火星是一个尘土飞扬、风力极大的地方，尽管大气层相当稀薄；中午赤道附近的温度以人类的标准来看非常舒适，但夜间或清晨的温度极低，可能比室温低 150 华氏度。大气层中氧气很少。臭氧非常稀薄，所以如果没有沙尘暴，太阳的紫外线不会像在我们的大气层中那样被吸收，而是相对不受阻碍地穿透到地表。这将对暴露在外的陆地生物造成严重危害。

综合考虑所有这些因素，过去人们认为火星环境可能过于恶劣，不适合生命生存。在我看来，这是一个非常狭隘的结论。我们和其他人已经在实验室中模拟了所有这些条件。我们发现，即使是各种各样的陆地生物也能在这些条件下完美生存。当它们在一小块岩石下时，它们可以在紫外线下生存，如果土壤中有少量液态水，它们甚至可以在一天中温暖的时候生长，而这在今天的火星上绝非不可能。

费舍尔：你谈论的是哪种生物？

萨根：我说的是微生物：细菌——产孢细菌，或不产孢细菌。

费舍尔：但是没有像地衣这样的东西吗？

萨根：好吧，地衣是推测火星上存在生命的一种备选，因为它们本来应该很耐寒，但在火星的条件下却一点也不耐寒。如果火星上有生命，那么很明显的是——除非我们没有对航天器进行消毒而污染了这颗星球——我们发现的生命将与地球上的生命截然不同。至少这是我自己的信念。火星上的生命将经历 45 亿年的独立生物进化。进化中有如此多的任意分支点……

费舍尔：……也就是45亿年前……

萨根：是的，45 亿年前。当然，现在生命肯定还没有出现。火星上今天的环境对于生命起源来说太过危险。生命起源需要非常安全的条件。但对于生命的维持来说，它们并不算太危险。火星上生命的起源，就像地球上生命的起源一样，一定发生在很久以前。我的意思是，如果环境像今天这样太过恶劣，地球上的生命也不可能起源于地球。例如，我们拥有巨大的有毒氧气大气层，这会阻止生命的起源。事实上，火星在这方面更好，因为没有太多这种毒气。氧气会氧化有机化合物。氧气的存在并不是一件好事。因为我们人类呼吸氧气，所以我们认为氧气很棒。这也是一种狭隘的观点。

我想得出的关于火星上存在生命的结论是，肯定没有令人信服的证据证明存在生命，但同样肯定也没有令人信服的证据反对存在生命。水手 9 号的设计初衷并不是探测火星生命，它也没有探测到火星上存在生命。维京号任务将是首次认真尝试在火星上寻找生命。目前，火星上的条件肯定不是太恶劣，不适合生命存在。我们必须保持开放的心态，直到获得更多数据。

火星上的水

费舍尔：您提到了水与火星上可能存在生命之间的联系。我知道水手 9 号拍摄的照片显示，一些地质特征看起来像是被水雕刻而成的。其他照片显示南极冰盖的后退似乎表明冰盖中至少存在一些水冰。那么火星上的水问题呢？

萨根：大约 100 年前，火星极冠显然是由普通的冰、水冰构成的。因为，它们还能是什么呢？六年前，火星极冠显然是由干冰、冻结的二氧化碳构成的。今天，情况显然比这复杂得多。火星冬季的温度肯定足够低，可以凝结出二氧化碳。我们知道二氧化碳是大气的主要成分——它必须凝结出来。另一方面，我们现在在火星夏季看到，虽然南极冠已经消退，但一部分仍会在整个夏季留存，尽管温度过高，二氧化碳无法保持冻结状态。这表明我们看到的残留物是水冠。因此，如果火星上既有水又有二氧化碳，而且极地温度非常低，那么在极冠处会凝结出二氧化碳和水，这并不奇怪。然后你加热，最先消失的是二氧化碳，也就是蒸汽压较高的二氧化碳。然后你就会在夏天看到水帽。

我们希望在夏天观察北极帽。我们从地面观测得知，北极帽残余物的尺寸在北部比在南部大得多，这表明北极帽中的冷冻挥发物（可能是水和二氧化碳）比在南部多得多。事实上，看起来北极帽中可能存在大量的冷冻二氧化碳和水。如果你能将它们全部蒸发，就可以大大增加火星的总表面压力，使火星上更有可能出现流水，并通过温室效应提高地表温度，使条件更加温和。

在火星历史进程中，是否曾发生过释放二氧化碳和水的自然事件，是我们许多人正在争论的问题。我认为这种情况确实发生在火星的春秋分期间，火星历史上的某些时期与今天的情况截然不同，事实上，我们正在研究冰河时代的火星，而大约 10,000 年后，火星的条件可能会更加温暖和潮湿。在这种情况下，我们可以理解火星上看起来像是由流水雕刻而成的特征：看起来像干涸的沟壑、河床的东西，从其他任何角度来看都很难理解。它们构成了一个严重的谜团，因为今天地球上不可能有大量液态水。大气中的压力不够大。这也是地球上不可能有液态二氧化碳的原因。地球上有干冰和气态二氧化碳。现在，可能由流水引起的事物的典型特征是支流，例如您在水手 9 号的一些照片中看到的支流。支流不是由流动的熔岩产生的，除了流水之外，很难用其他任何术语来理解。它们是水假说的关键。

费舍尔：那么，目前的想法是什么？还有其他假设可以解释这些图片吗？

萨根：还有另一种假设，其内容如下：我无法相信这个星球上曾经存在过液态水：因此，存在一些我无法理解的其他原因导致了这种现象。

费舍尔：你把这个假设称为 B 假设？

萨根：是的，假设B，品牌X。

费舍尔：那么就您个人而言，您认为那个显而易见的解释很可能就是正确的吗？

萨根：没错。我根据其他理由提出，在水手 9 号照片传来之前，这种情况就已经存在了。我自然而然地被这个假设所吸引。

费舍尔：这是否也将从更大程度上支持这样的观点：生命可能起源于地球过去的某个非冰河时期？

萨根：是的。这也意味着火星上的生物现在可能处于冬眠状态。也就是说，如果连续存在大量液态水的时期之间的时间间隔在地质学意义上很短，那么生物在漫长的冬天里闭门不出，等待春天的到来，这可能是有道理的。一种测试方法是将火星土壤样本放入液态水中，这将是冬眠生物或孢子形成者的信号，表明岁差春天已经到来。到那时，生物应该开始做它们的事情。

费舍尔：萨根博士，我们接下来对水手 9 号有什么期待？

萨根：如果航天器能够正常工作，我们将在夏季获得非凡的照片。需要进行大量的图像处理，这将带来以前无法看到的细节。实验之间将有大量的互动。我相信，一些最引人注目的科学成果将在一两年后出现，那时我们完成了这些工作。所以我认为水手 9 号最令人兴奋的方面还远未到来。

费舍尔：水手号恢复比赛时会拍摄什么样的照片？

萨根：将拍摄一些照片，用于选择海盗号的着陆点。我希望，将拍摄大量可变特征地点的照片，因为现在我们有了很长的时间基线。已经过去了很多个月。这段时间里发生了什么变化？事实上，在我们 3 月停止播出之前的最后几周，全球各地的情况似乎都在发生变化。我想看看这种情况是否会继续下去。我个人非常兴奋地看到夏末会出现哪些可变特征的迹象。我们将首次看到北极冰盖，出于我之前提到的原因，这非常重要。我们将开始获得一些全球覆盖。到目前为止，我们离得很近，只看到了邮票大小的小画面，我们一直在将它们拼接在一起。接下来会有很多非常令人兴奋的事情发生，我只是在谈论电视，而不是水手 9 号获得的数千个光谱和其他非常重要的数据。

费舍尔：谢谢您，萨根博士。